NHIỆT ĐỘNG KỸ THUẬT
Tác giả xin chân thành cảm ơn lãnh đạo Sở Lao động Thương binh và Xã hội Đồng Tháp đã tạo điều kiện giúp đỡ trong việc hoàn thành giáo trình này Đặc biệt, tác giả cũng ghi nhận sự hỗ trợ nhiệt tình từ các đồng nghiệp đã đóng góp ý kiến quý báu trong quá trình biên soạn Đồng Tháp, ngày… tháng… năm 2018.
CHƯƠNG 1 NHIỆT ĐỘNG KỸ THUẬT 7
Bài 1 Các khái niệm mở đầu về nhiệt động (4h) 7
1.1 Các khái niệm cơ bản 7 d Nội năng: 11 f Entropy: 12
1.2 Phương trình trạng thái chất khí 12
Bài 2 Định luật nhiệt động I và các quá trình nhiệt động cơ bản của khí lý tưởng (12h) 13
2.1 Nhiệt, nhiệt dung riêng và công 13
2.3 Các quá trình nhiệt động của khí lý tưởng 20
Bài 3: Định luật nhiệt động II (4h) 24
3.2 Chu trình carno thuận nghịch ngược chiều 26
Bài 4: Các quá trình nhiệt động thực tế (12h) 27
4.1 Quá trình lưu động và tiết lưu 27
Năng suất lạnh :Là nhiệt lượng mà máy lạnh lấy được từ môi trường cần làm lạnh trong 1 đơn vị thời gian 29
4.3 Quá trình không khí ẩm 32 e Độ ồn: 38
4.4 Chu trình của máy lạnh 40
1.2 Dẫn nhiệt ổn định dẫn qua vách phẳng 51
1.3 Dẫn nhiệt ổn định qua vách trụ 55
Bài 2: Trao đổi nhiệt đối lưu (8h) 58
2.1 Các khái niệm cơ bản 58
2.3.1.Trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên 61
+ Trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên trong không gian vô hạn: 61
2.3.2 Trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức 63
* Trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức, chất lỏng chảy trong ống: 64
* Trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức khi chất lỏng chảy bên ngoài ống tròn: 65
Bài 3.Truyền nhiệt và thiết bị trao đổi nhiệt (12h) 72
3.1 Truyền nhiệt qua vách phẳng và vách trụ 72
3.2 Truyền nhiệt qua vách có cánh 73
3.3 Thiết bị trao đổi nhiệt 75
3.3.1 Khái niệm và phân loại thiết bị trao đổi nhiệt 75
Câu 1: Trình bày các thông số cơ bản của chất môi giới 79
Tên môn học: Cơ sở kỹ thuật nhiệt
Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trò của môn học:
- Vị trí: Môn học Cơ sở kỹ thuật nhiệt được bố trí học sau các môn học chung và học trước các môn học, mô đun chuyên môn.
Môn học kỹ thuật cơ sở này cung cấp cho người học kiến thức về các định luật và hiện tượng liên quan đến chu trình lạnh, đồng thời giúp tính toán các thông số tổn thất trong quá trình này.
Môn học này đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp kiến thức cơ sở kỹ thuật chuyên ngành, chuẩn bị cho sinh viên những kiến thức cần thiết để tiếp cận các phần học kỹ thuật chuyên môn sau này.
Mục tiêu của môn học:
+ Trình bày được các khái niệm, các định luật, các quá trình nhiệt động và truyền nhiệt.
+ Giải thích được các hiện tượng trong một quá trình nhiệt.
+ So sánh được ưu nhược điểm của các chu trình nhiệt.
+ Vận dụng được lý thuyết để tính toán tổn thất nhiệt trong các thiết bị trao đổi nhiệt.
+Xác định được các thông số trạng thái trong một chu trình nhiệt.
+ Xác định được các quá trình trong một chu trình nhiệt.
-Về năng lực tự chủ và trách nhiệm: Rèn luyện tính cẩn thận, tỉ mỉ trong tính toán.
Nội dung của môn học:
CHƯƠNG 1 NHIỆT ĐỘNG KỸ THUẬT
Chương này giới thiệu cho sinh viên những kiến thức cơ bản về nhiệt động học, bao gồm các khái niệm chính, thông số của hơi, và các chu trình nhiệt động.
- Phân tích được các khái niệm về nhiệt động lực học.
- Trình bày được các kiến thức về hơi và thông số trạng thái hơi.
- Trình bày được các quá trình nhiệt động của hơi.
- Trình bày được các chu trình nhiệt động.
- Phân tích được các quá trình, nguyên lý làm việc của máy lạnh
- Rèn luyện tính tập trung, tỉ mỉ, tư duy logic, ứng dụng thực tiễn sản xuất áp dụng vào môn học cho HSSV
Các khái niệm mở đầu về nhiệt động (4h)
Các khái niệm cơ bản
Khi các vật tác động lẫn nhau, chúng trao đổi cho nhau một năng lượng nào đó
Sự truyền năng lượng được thực hiện bằng hai cách
Khi một vật thực hiện công đối với vật khác, năng lượng của vật này sẽ tăng lên tương ứng với lượng năng lượng mà vật kia mất đi Trong nhiệt động kỹ thuật, công được ký hiệu là L, với quy ước rằng công do vật sinh ra được coi là dương, trong khi công mà vật nhận được được xem là âm.
Năng lượng truyền từ vật nóng sang vật lạnh khi tiếp xúc trực tiếp được gọi là nhiệt lượng, ký hiệu là Q trong nhiệt động kỹ thuật Nhiệt lượng mà vật nhận được được coi là dương, trong khi nhiệt lượng mà vật nhả ra được coi là âm Đơn vị đo năng lượng và nhiệt lượng là Joule (J), trước đây được đo bằng calo (cal), với mối quan hệ giữa calo và Joule như sau.
Hệ nhiệt động là tập hợp tất cả các vật có khả năng trao đổi nhiệt với nhau và với môi trường xung quanh Khi hệ nhiệt động không trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh, nó được gọi là hệ đoạn nhiệt Đặc biệt, hệ không trao đổi nhiệt và công với môi trường xung quanh được gọi là hệ cô lập.
1.1.3 Động cơ nhiệt, bơm nhiệt và máy lạnh Động cơ nhiệt: là loại máy nhận nhiệt và sinh công Các máy này nhận nhiệt từ nguồn nóng để biến một phần nhiệt lượng này thành công và nhả phần nhiệt còn lại cho nguồn lạnh Ví dụ như các động cơ đốt trong, các động cơ phản lực, các thiết bị động lực hơi nước
Bơm nhiệt và máy lạnh đều hoạt động dựa trên nguyên lý chuyển nhiệt từ môi trường có nhiệt độ thấp sang môi trường có nhiệt độ cao Tuy nhiên, mục đích sử dụng của chúng khác nhau: bơm nhiệt tập trung vào lượng nhiệt mà nguồn nóng nhận được, trong khi máy lạnh chú trọng vào lượng nhiệt từ nguồn lạnh.
1.1.4 Chất môi giới và trạng thái của chất môi giới Để thực hiện quá trình chuyển hoá giữa nhiệt và công và chuyển tải năng lượng trong các hệ nhiệt động người ta phải dùng một chất trung gian được gọi là chất môi giới Chất môi giới thường gặp trong kỹ thuật ở dạng khí hoặt hơi, ví thể khí có khả năng thay đổi thể tích rất lớn do đó có khả năng sinh công lớn Ơ những điều kiện khác nhau chất môi giới sẽ có các trạng thái khác nhaubiểu thị bằng các đại lượng vật lý thường đặt trưng bởi nhiệt độ (T), áp suất (P), thể tích riêng (v) Các thông số dùng để xác định trang thái của chất môi giới được gọi là thông số trạng thái Ở một trang thái xác định thì các thông sốtrạng thái cũng có những giá trị xác định Ở trạng thái mà các thông số trạng thái có giá trị giống nhau ở bất kỳ điểm nào trong toàn bộ khối khí thí ta gọi là trạng thaí cân bằng, và ngược lại ta gọi là trạng thái không cân bằng
1.1.5 Các thông số trạng thái của chất môi giới a áp suất Áp suất là lực tác dụng của vật chất lên 1 đơn vị diện tích của thành bình chứa Áp suất được ký hiệu là P, đơn vị N/m 2 m 2
Khi ta đặt một vật rắn lên một diện tích thì áp suất sẽ phân đường trên diện tích đó.
Khi ta chứa nước trong bình thì áp suất dưới đáy bình bằng nhau nhưng áp suất ở thành bên giảm dần theo chiều cao cột nước.
Khi nén khí (hoặc hơi) vào trong một bình kín, hơi sẽ tác dụng lên mọi phía bình với giá trị áp suất giống nhau.
Trong kỹ thuật có một số khái niệm áp suất như sau: áp suất khí quyển, áp suất chân không, áp suất dư và áp suất tuyệt đối. p
Áp suất khí quyển (P0) được đo bằng thiết bị Barometer, với 1 atm tương ứng với cột thủy ngân cao 760 mmHg và diện tích ống đo là 1 cm² Barometer được đặt trên mặt nước biển ở nhiệt độ 0°C, trong khi trọng lượng của thủy ngân là 13,6 x 0,076.
= 1,033kg Vậy áp suất khí quyển Po = 1 atm = 1,033 kg/cm 3 (atmosphe vật lý)
- Áp suất chân không (P ck ): là áp suất đo bằng Vacummeter, Trị số áp kế nhỏ hơn áp suất khí quyển Pck < Po
- Áp suất dư (P d ): là áp suất đo bằng Manometer, trị số áp kế lớn hơn áp suất khí quyển Pd > Po
- Áp suất tuyệt đối: không đo đạt được mà chỉ có thể tính toán đựơc từ áp suất khí quyển, áp suất chân không
Ptd = Po – Pck b Nhiệt độ
Nhiệt độ là một đại lượng vật lý quan trọng, thể hiện mức độ nóng lạnh của vật chất Nó phản ánh mức độ vận động hoặc rung động trung bình của các phân tử bên trong vật chất tại thời điểm cụ thể.
Nếu làm lạnh vật chất đến nhiệt độ -273,15 o C thì tất cả các rung động phân tử sẽ biến mất Nhiệt độ t = -273.15 o C được gọi là “nhiệt độ không tuyệt đối”
Hệ đơn vị quốc tế SI sử dụng nhiệt độ bách phân (Celcius) và nhiệt độ Kelvin oK làm đơn vị đo nhiệt độ
Thang nhiệt độ Celcius xây dựng trên cơ sở lấy điểm nước đá tan 0 o C và nước sôi là 100 o C ở điều kiện chuẩn (P = 1atm = 760mmHg)
Trong kỹ thuật người ta sử dụng nhiệt độ Kelvin o K o K ứng với nhiệt độ không tuyệt đối 0 o K = -273.15 o C Do đó:
Hệ đơn vị Anh – Mỹ sử dụng nhiệt độ Fahrenheit ( o F) Quan hệ giữa nhiệt độ t o F và t o C như sau: t o C = 5/9(t o F – 32) t o F = 32 + 9/5t o C c Thể tích riêng
Một khí có khối lượng là G kg và chiếm một thể tích là V m 3 , thể tích riêng cùa khối khí đó đươc định nghĩa nhu sau:
Ta có khối lượng riêng là: v V
Nội nhiệt năng (u) - gọi tắt là nội năng - là năng lượng do chuyển động của các phân tử bên trong vật và lực tương tác giữa chúng
Nội năng gồm 2 thành phần: nội động năng (ud) và nội thế năng (up)
- Nội động năng liên quan đến chuyển động của các phân tử nên nó phụ thuộc vào nhiệt độ của vật
Nội thế năng liên quan đến lực tương tác giữa các phân tử và phụ thuộc vào khoảng cách giữa chúng, do đó nội năng là hàm của nhiệt độ và thể tích riêng: u = u(T, v) Đối với khí lý tưởng, lực tương tác giữa các phân tử bằng 0, nên nội năng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ Sự thay đổi nội năng của khí lý tưởng được xác định qua các biểu thức: du = CvdT và Δu = Cv(T2 - T1) Đối với 1kg môi chất, nội năng được ký hiệu là u với đơn vị J/kg, trong khi đối với Gkg môi chất, ký hiệu là U với đơn vị J Ngoài ra, nội năng còn có thể được biểu thị bằng các đơn vị khác như kCal, kWh, và Btu.
1kJ = 0,239 kCal = 277,78.10 -6 kWh = 0,948 Btu e Enthanpy:
Enthalpy (ký hiệu i hoặc h) được định nghĩa theo công thức: i = h = u + p.v Tương tự như nội năng, enthalpy của khí thực là hàm của các thông số trạng thái Đối với khí lý tưởng, enthalpy chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ.
Entropy (s) là một hàm trạng thái được định nghĩa bằng biểu thức : ds = T dq [J/K]
Phương trình trạng thái chất khí
1.2.1 Định nghĩa về khí lí tưởng
Khí lý tưởng là một loại khí mà trong đó lực tương tác giữa các phân tử và thể tích của chính các phân tử được bỏ qua Một chất khí bao gồm vô số phần tử, nhưng khi xem xét khí lý tưởng, chúng ta chỉ tập trung vào hành vi tổng thể của các phân tử mà không tính đến các yếu tố này.
1.2.2 Phương trình trạng thái của khí lí tưởng phương trình viết cho 1 kg pv = RT Phương trình viết cho G kg pV = GRT
Trong đó: p = (N/m 2 ); v = m 3 /kg; V= m 3 ; T= ( 0 K) R: Hằng số chất khí
R 8314 (J/kgK) à: Phõn tử lượng của khớ (kg/kmol) G: Khối lượng khí (kg)
Phương trình viết cho 1 kilomol khí pV à = R à T = 8314 T
Phương trình viết cho M kilomol khí pV = M.R à T = 8314MT
Định luật nhiệt động I và các quá trình nhiệt động cơ bản của khí lý tưởng (12h)
Nhiệt, nhiệt dung riêng và công
+ Nhiệt năng (nhiệt lượng): là dạng năng lượng truyền từ vật này sang vật khác do sự chênh lệch nhiệt độ Đơn vị đo nhiệt năng:
Calorie (Cal) - 1 Cal là nhiệt năng cần thiết để làm nhiệt độ của 1 gam nước tăng từ 14.5 0 C đến 15.5 0 C
British thermal unit (Btu) - 1 Btu là nhiệt năng cần thiết để làm nhiệt độ của
1 pound nước tăng từ 59.5 0 F lên 60.5 0 F
Hình 2.1: Các hình thức truyền nhiệt + Nhiệt dung và nhiệt dung riêng:
Nhiệt dung của một vật là lượng nhiệt cần cung cấp cho vật hoặc từ vật tỏa ra để nhiệt độ của nó thay đổi 1 0
Nhiệt dung riêng (NDR), hay còn gọi là Tỷ nhiệt, là đại lượng biểu thị lượng nhiệt cần thiết để làm thay đổi nhiệt độ của một đơn vị khối lượng vật chất một độ C.
Phân loại NDR theo đơn vị đo lượng vật chất:
Nhiệt dung riêng khối lượng c m
Nhiệt dung riêng thể tích c’ = C , [J/m 3 độ ]
Phân loại NDR theo quá trình nhiệt động:
- NDR đẳng tích cv, cv’, cμv
- NDR đẳng áp cp, cp’, cμp
Công thức Maye : cp - cv = R cμp - cμv = Rμ = 8314 [J/kmol.độ]
Trị số k của khí thực phụ thuộc vào loại chất khí và nhiệt độ Đối với khí lý tưởng, k chỉ phụ thuộc vào loại chất khí
Quan hệ giữa c, k và R: cv = R k 1
1 ; cp = R k k 1 + Nhiệt dung riêng của khí thực:
NDR của khí thực phụ thuộc vào bản chất của chất khí, nhiệt độ, áp suất và quá trình nhiệt động : c = f (T, p, quá trình).
Trong áp suất thông dụng, áp suất ảnh hưởng không đáng kể đến NDR, do đó có thể biểu diễn NDR dưới dạng hàm của nhiệt độ Công thức NDR được thể hiện như sau: c = a0 + a1.t + a2.t^2 + + an.t^n Đồng thời, nhiệt dung riêng của khí lý tưởng cũng cần được xem xét trong mối liên hệ này.
NDR của khí lý tưởng chỉ phụ thuộc vào loại chất khí mà không phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất
Bảng 1.1: Chỉ số đoạn nhiệt và nhiệt dung riêng của khí lý tưởng
Loại khí k c μv [kJ/kmol.độ] c μp [kJ/kmol.độ]
+ Nhiệt dung riêng của hỗn hợp khí: c n i i i c g
2.1.2 Tính nhiệt lượng theo nhiệt dung riêng trung bình
* Tính NDR trung bình trong khoảng nhiệt độ t 1 ÷ t 2 khi biết NDR trung bình trong khoảng nhiệt độ 0 ÷ t :
• NDR trung bình trong khoảng nhiệt độ 0 ÷ t: c t 0 = a 0 + a 1 t
• Theo định nghĩa NDR: c = dq/dt
• Nhiệt trao đổi trong quá trình 1 - 2: 2
• Mặt khác có thể viết:
* Tính nhiệt dung riêng trung bình trong khoảng nhiệt độ t 1 ÷ t 2 khi biết NDR thực c
* Tính nhiệt lượng theo nhiệt dung riêng trung bình: q 2
Công, hay còn gọi là cơ năng, là dạng năng lượng được hình thành khi năng lượng biến đổi và có sự dịch chuyển của lực tác dụng Về mặt trị số, công được tính bằng tích của thành phần lực cùng phương chuyển động và quãng đường dịch chuyển.
Công là một dạng năng lượng, vì vậy đơn vị của công cũng tương đương với đơn vị của năng lượng Đơn vị phổ biến nhất để đo công là Joule (J), trong đó 1 Joule tương đương với công của lực 1 Newton tác động lên quãng đường 1 mét.
Công thay đổi thể tích, hay còn gọi là công cơ học, là năng lượng do công máy gây ra khi dãn nở hoặc nhận được khi bị nén Công này liên quan chặt chẽ đến sự dịch chuyển ranh giới của hệ nhiệt động.
Công thay đổi thể tích được xác định bằng biểu thức : l 2
Công kỹ thuật (l kt ) - là công của dòng khí chuyển động được thực hiện khi áp suất của chất khí thay đổi
Công kỹ thuật được xác định bằng biểu thức: lkt 2
Qui ước: Công do HNĐ sinh ra mang dấu (+), công do môi trường tác dụng lên HNĐ mang dấu (-).
Định luật nhiệt động I
2.2.1 Phát biểu Định luật nhiệt động thứ nhất thực chất là định luật bảo toàn và chuyển hoá năng lượng ứng dụng cho các hiện tượng nhiệt và được phát biểu như sau: Năng lượng không mất đi và cũng không tự sinh ra, nó chỉ có thể biến đổi từ dạng này sang dạng khác trong những quá trình vật lý và hoá học khác nhau Nói một cách khác, tổng số các dạng năng lượng trong một hệ cô lập bất kỳ là không đổi.
Trong lĩnh vực nhiệt động lực học, khi một lượng nhiệt năng bị mất, sẽ tạo ra một lượng cơ năng tương ứng và ngược lại Định luật nhiệt động I khẳng định rằng nhiệt lượng cung cấp cho hệ thống được chia thành hai phần: một phần để thay đổi nội năng và một phần để thực hiện công Công thức diễn đạt mối quan hệ này là dq = du + dl.
- ý nghĩa của định luật nhiệt động: Định luật nhiệt động I cho phép ta viết phương trình cân bằng năng lượng cho một quá trình nhiệt động.
2.2.2 Các dạng biểu thức của định luật nhiệt động Định luật nhiệt động I có thể được viết dưới nhiều dạng khác nhau như sau:
Trong trường hợp tổng quát: dq = du + dl Đối với 1 kg môi chất:
∆q = ∆u + l Đối với G kg môi chất:
Mặt khác theo định nghĩa entanpi, ta có: i = u + pv,
Theo định luật nhiệt động lực học I, ta có biểu thức: dq = di - vdp, với di là biến thiên nội năng, pdv là công do áp suất gây ra và vdp là biến thiên áp suất Khi lấy đạo hàm, ta nhận được mối quan hệ giữa các đại lượng này, cho thấy sự liên kết giữa biến thiên nội năng và công trong quá trình nhiệt động.
Đối với khí lý tưởng, định luật nhiệt động I có thể được biểu diễn bằng công thức dq = du + pdv, trong đó du = CvdT và di = CpdT Khi thay thế các giá trị này vào biểu thức, ta có dq = CvdT + pdv và dq = CpdT - vdp Điều này áp dụng cho hệ hở, cho thấy mối quan hệ giữa nhiệt lượng, biến thiên nội năng và công.
2.2.3 Nội năng của chất khí
Bất kỳ hệ nhiệt động nào đều có tổng năng lượng E, bao gồm động năng Eđ thể hiện sự chuyển động của toàn bộ hệ, thế năng Et phản ánh vị trí của hệ trong các trường lực như trọng trường hay điện trường, và nội năng đại diện cho năng lượng của các phân tử nhỏ cấu thành vật.
Nội năng bao gồm hai thành phần chính:
Nội động năng (Uđ) là năng lượng liên quan đến chuyển động tịnh tiến và quay của các phân tử, cũng như năng lượng dao động của các nguyên tử trong phân tử Theo thuyết động học phân tử, nội động năng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ, và nó sẽ tăng lên khi nhiệt độ tăng.
Nội thế năng U_t là năng lượng do lực liên kết giữa các phân tử trong một khối khí Nội thế năng này phụ thuộc vào khoảng cách giữa các phân tử, tức là phụ thuộc vào thể tích riêng của khối khí Khi thể tích riêng của khối khí thay đổi, khoảng cách giữa các phân tử cũng thay đổi, dẫn đến sự thay đổi của nội thế năng U_t.
Các quá trình nhiệt động của khí lý tưởng
Quá trình đẳng tích là quá trình mà thể tích giữ nguyên (V = Const), trong đó nhiệt dung riêng được ký hiệu là Cv Trong quá trình này, có mối quan hệ quan trọng giữa nhiệt độ và áp suất.
+ Công thay đổi thể tích l 12 = 0 + Công kỹ thuật l kt = -ν(p2 – p1) = ν(p1 – p2) + Nhiệt của quá trình
Q = GCv(T2 – T1) + Độ biến đổi Entropi
Quá trình đẳng áp diễn ra khi áp suất giữ nguyên (p = const) và số mũ đa biến n = 0, với nhiệt dung riêng Cp Trong quá trình này, có các mối quan hệ quan trọng cần lưu ý.
+ Quan hệ giữa nhiệt độ và thể tích:
+ Công thay đổi thể tích: l 12 = p(v2 – v1) + Công kỹ thuật l kt = 0 + Nhiệt của quá trình
Quá trình đẳng nhiệt là quá trình mà nhiệt độ giữ không đổi, với T = Const và số mũ đa biến n = 1 Trong quá trình này, có mối quan hệ giữa áp suất và thể tích.
+ Công thay đổi thể tích và công kỹ thuật
Quá trình đoạn nhiệt diễn ra khi không khí không trao đổi nhiệt với môi trường, với q = 0 và dq = 0 Trong quá trình này, số mũ đa biến n = k, entropi S giữ nguyên và nhiệt dung riêng C bằng 0 Các quan hệ trong quá trình này cần được xem xét kỹ lưỡng.
+ Quan hệ giữa nhiệt độ, áp suất và thể tích
+ Công thay đổi thể tích k k p p k v l p
1 + Công kỹ thuật k k kt p p k l kRT l
Quá trình đa biến là quá trình xảy ra khi nhiệt dung riêng của quá trình không đổi Cn = Const và được xác định bằng biểu thức. o n 1 k
Trong quá trình này ta có các quan hệ sau:
+ Quan hệ giữa nhiệt độ, áp suất và thể tích. n v v p p
+ Công thức thay đổi thể tích
Định luật nhiệt động II (4h)
Chu trình carno thuận nghịch ngược chiều
3.2.1 Đồ thị p-v và T-s Đồ thị p-v và T-s của chu trình Carno ngược chiều được biểu diễn trên hình 3.2
Hình 3.2 Đồ thị p-v và T-s của chu trình Carno ngược chiều
+ 4-3 là quá trình dãn nở đẳng nhiệt, môi chất tiếp xúc với nguồn lạnh có nhiệt độ T2 không đổi và nhận từ nguồn lạnh một nhiệt lượng là: q2 = T2(s3 – s4)
+ 3-2 là quá trình nén đoạn nhiệt, tiêu tốn công nến là l, nhiệt độ môi chất tăng từ T2 đến T1
+ 2-1 là quá trình nén đẳng nhiệt, môi chất tiếp xúc với nguồn nóng có nhiệt độ T1 không đổi và nhả cho nguồn nóng một nhiệt lượng là: q1 = T1(s2 – s1)
+ 1-4 là quá trình dãn nở đoạn nhiệt, nhiệt độ môi chất giảm từ T1 đến T2.
Khi thay các giá trị |q1| và q2 vào ta có hệ số làm lạnh của chu trình Carno thuận ngịch ngược chiều là:
Hệ số làm lạnh của chu trình Carnot ngược chiều chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của nguồn nóng T1 và nguồn lạnh T2, không bị ảnh hưởng bởi bản chất của môi chất.
- Hệ số làm lạnh của chu trình Carno càng lớn khi nhiệt độ nguồn nóng càng thấp và nhiệt độ nguồn lạnh càng cao.
- Hệ số làm lạnh của chu trình Carno có thể lớn hơn 1.
Các quá trình nhiệt động thực tế (12h)
Quá trình lưu động và tiết lưu
4.1.1 Quá trình lưu động a Khái niệm
Trong lĩnh vực kỹ thuật, có nhiều quá trình lưu động khác nhau tùy thuộc vào mục tiêu kỹ thuật Ví dụ, trong các động cơ hiện đại yêu cầu tốc độ cao, động cơ piston có thể gặp hạn chế về sức bền và công suất Để khắc phục, người ta thường sử dụng động cơ tuabin trong máy phát điện và động cơ phản lực, nơi dòng khí hoặc hơi có chuyển động tương đối lớn, không thể bỏ qua động năng của chúng Sự chuyển động này được gọi là quá trình lưu động Để nghiên cứu quá trình lưu động một cách hiệu quả, chúng ta cần dựa trên một số giả thiết nhất định.
- Chuyển động của dòng trong kênh dẫn là đoạn nhiệt.
- Tất cả các thông số đặc trưng cho trạng thái của CMG ở mỗi tiết diện đều là hằng số.
- Tốc độ dòng ở mỗi tiết diện ngang đều là hằng số.
- Điều kiện chuyển động trong kênh dẫn không thay đổi theo thời gian, lưu lượng qua tiết diện là hằng số.
4.1.2 Quá trình tiết lưu a Khái niệm:
Khi dòng lưu chất di chuyển trong ống và gặp trở lực đột ngột như van, ống mao hay van tiết lưu, áp suất phía sau tiết diện bị thu hẹp sẽ thấp hơn áp suất phía trước Quá trình này được gọi là quá trình tiết lưu, và nó có những đặc điểm quan trọng trong việc điều chỉnh lưu lượng chất lỏng.
Quá trình tiết lưu là một quá trình không thuận nghịch và diễn ra dưới dạng đoạn nhiệt, do đó nó không phải là quá trình đẳng entropy Trong quá trình này, việc trao đổi nhiệt giữa chất môi trường và chất môi trường gia nhiệt (CMG) rất nhỏ.
- Khi qua tiết lưu áp suất giảm nhưng không sinh công ngoài mà để thắng sức cản do ma sát và xoáy.
Từ định luật nhiệt động 1 cho dòng khí ta có: dq = dh + d(ω 2 /2) = 0 (đoạn nhiệt) => dh = - ω.dω
Tích phân từ 0 đến 1 ta được: h0 – h1 = (ω1 2 – ω0 2)/2
Theo thực nghiệm vận tốc trước và sau tiết lưu xem như không đổi nên ω1 = ω0, do đó h0 = h1.
Vậy quá trình tiết lưu là quá trình có enthanpy của chất môi giới không bị thay đổi.
- Đối với khí lý tưởng ta có: dh = cp.dT = 0Nên quá trình tiết lưu đối với khí lý tưởng có nhiệt độ không đổi.
Quá trình nén khí
Có nhiều cách phân loại máy nén như sau: a.Theo cấu tạo
Máy nén piston, máy nén Rotor, máy nén xoắn ốc , máy nén tuabin, máy nén trục vít, MN ly tâm. b Theo tác nhân lạnh
Máy nén Amoniac, máy nén Freon c Theo năng suất lạnh Q o và công suất đầu trục N
- Máy nén nhỏ: Qo ≤ 8000 Kcal/h ; N ≤ 5 KW ( 7,5 HP )
- Máy nén trung bình: 8000 Kcal/h < Qo < 50 000 Kcal/h; và 5KW < N < 20 KW.
- Máy nén lớn: Qo ≥ 50 000 Kcal/h ; và N ≥ 20 KW.( thường từ 30 HP trở lên)
Năng suất lạnh :Là nhiệt lượng mà máy lạnh lấy được từ môi trường cần làm lạnh trong 1 đơn vị thời gian.
Ký hiệu: Qo Đơn vị: Kcal/h ; BTU/h.; Kw ; Tấn lạnh.
D,Theo nhiệt độ bay hơi
– Khi To = +10 o C ÷ -25 o C (máy nén 1 cấp)
– Khi To = -30 o C ÷ -110 o C (máy nén 2 hay nhiều cấp) a Theo cách bố trí, sắp xếp xilanh
– Máy nén có xilanh nằm ngang.
– Máy nén có xilanh thẳng đứng.
– Máy nén có xilanh chữ V, W……… b Theo cách chuyển động của hơi gas qua xilanh
– Máy nén trực lưu (Thuận dòng): Là MN có dòng hơi chuyển động không đổi hướng trong xilanh.
– Máy nén không trựclưu ( Ngược dòng): Là MN có dòng hơi bị đổi hướng trong xilanh. c Theo số xilanh
– Máy nén có nhiều xilanh d Theo độ kín và khả năng tháo ráp
– Máy nén kín: Phần cơ và phần điện nằm chung trong 1 vỏ kín, khi sửa chữa phải cưa vỏ máy
– Máy nén nửa kín: Phần cơ và phần điện nằm chung trong vỏ máy nhưng vẫn tháo ráp được.
Máy nén hở có thiết kế với phần cơ và phần điện tách biệt, giúp việc tháo ráp trở nên dễ dàng Để máy nén hoạt động, cần có một động cơ điện kết nối qua dây cuaroa hoặc khớp nối, và hoạt động của nó phụ thuộc vào số vòng quay.
– Máy nén quay chậm: n < 550 vòng/phút.
– Máy nén quay nhanh: n ≥ 1500 vòng/ phút.
4.2.2 Máy nén piston một cấp
Trong nhiệt động kỹ thuật định nghĩa:
Chu trình thuận chiều là quá trình hoạt động diễn ra theo chiều kim đồng hồ, thường được áp dụng trong các máy sinh công Chu trình này giúp biến đổi nhiệt năng thành cơ năng, điển hình là ở các động cơ nhiệt, động cơ nổ và đầu máy hơi nước.
Chu trình ngược chiều tiến hành ngược theo chiều kim đồng hồ là chu trình của máy lạnh và bơm nhiệt, tiêu tốn năng lượng hoặc công để
Bơm nhiệt là quá trình chuyển đổi nhiệt từ nguồn có nhiệt độ thấp ra môi trường với nhiệt độ cao hơn Tất cả các chu trình nghiên cứu dưới đây đều là chu trình ngược chiều.
4.2.3 Máy nén piston nhiều cấp Ứng với áp suất bay hơi P0 nhỏ hay áp suất ngưng tụ Pk lớn thì tỉ số nén sẽ lớn Nếu chỉ dùng một cấp nén thì sẽ gặp những bất lợi sau:
- Các tổn thất tiết lưu trong van tiết lưu tăng làm năng suất lạnh của hệ thống giảm.
Nhiệt độ hơi quá nhiệt tại MN cao có thể làm giảm khả năng bôi trơn của dầu, dẫn đến phân hủy hoặc thậm chí là bốc cháy dầu Do đó, việc giảm tỷ số nén bằng cách sử dụng nhiều cấp nén là cần thiết để bảo đảm hiệu suất và an toàn cho hệ thống.
Thông thường theo kinh nghiệm,nếu tỉ số nén Pk/ P0 > 8 thì người ta sử dụng
2 cấp nén và sau lần nén thứ nhất ở xilanh thấp áp phải có làm lạnh hơi ra khỏi MN rồi mới cho hút vào xilanh cao áp.
Hình 4.1: Sơ đồ nén hai cấp+ Ở lần nén thứ nhất, MN hút hơi ở áp suất P0 và nén lên áp PTG.
Trong quá trình nén thứ hai, máy nén (MN) hút khí ở áp suất PTG và nén đến áp suất PK Hai cấp nén này có thể được bố trí trong cùng một máy nén hoặc sử dụng hai máy nén riêng biệt.
Cách chọn áp suất trung gian tối ưu nhất:
Việc làm lạnh có hai cách: LLTGKHT và LLTGHT
- LLTGKHT là làm giảm nhiệt độ hơi quá nhiệt trước khi vào xilanh cao áp nhưng hơi vẫn là hơi quá nhiệt.
- LLTGHT là làm giảm nhiệt độ hơi quá nhiệt trước khi vào xilanh cao để hơi ở trạng thái hơi bảo hòa khô.
Quá trình không khí ẩm
4.3.1 Các thông số vật lý của không khí ẩm a Nhiệt độ:
Nhiệt độ ảnh hưởng đến cảm giác nóng lạnh của con người, trong đó nhiệt độ cơ thể trung bình là 37 độ C Khi vận động, cơ thể con người luôn tỏa ra nhiệt lượng, và lượng nhiệt này phụ thuộc vào cường độ vận động Để duy trì thân nhiệt, cơ thể thường xuyên trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh, và sự trao đổi nhiệt này sẽ thay đổi tương ứng với cường độ vận động Có hai hình thức trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh.
Con người truyền nhiệt ra môi trường xung quanh qua ba phương thức chính: dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ Mức độ trao đổi nhiệt này phụ thuộc chủ yếu vào sự chênh lệch nhiệt độ giữa cơ thể và môi trường xung quanh Lượng nhiệt trao đổi được gọi là nhiệt hiện, ký hiệu là qh.
Khi nhiệt độ môi trường thấp hơn thân nhiệt, cơ thể sẽ truyền nhiệt ra ngoài, dẫn đến cảm giác lạnh Ngược lại, khi nhiệt độ môi trường cao hơn thân nhiệt, cơ thể hấp thụ nhiệt và cảm thấy nóng Nhiệt lượng truyền ra (qh) phụ thuộc vào chênh lệch nhiệt độ (∆t = tct - tmt) và tốc độ chuyển động của không khí Nếu nhiệt độ môi trường và tốc độ không khí ổn định, qh sẽ không thay đổi Tuy nhiên, khi cường độ vận động của con người thay đổi, lượng nhiệt do cơ thể sinh ra không thể được cân bằng, do đó cần có hình thức trao đổi thứ hai là toả ẩm để thải hết nhiệt lượng này.
Ngoài việc truyền nhiệt, cơ thể còn trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh thông qua quá trình tỏa ẩm Quá trình này xảy ra ở mọi mức nhiệt độ, với cường độ tăng lên khi nhiệt độ môi trường cao Nhiệt năng của cơ thể được thải ra cùng với hơi nước dưới dạng nhiệt ẩn, được ký hiệu là qa.
Khi nhiệt độ môi trường vượt quá 37 o C, cơ thể con người vẫn có khả năng thải nhiệt thông qua quá trình tỏa ẩm, hay còn gọi là đổ mồ hôi Mỗi gram mồ hôi thoát ra giúp cơ thể thải khoảng 2500J nhiệt Mức độ thoát mồ hôi tăng lên khi nhiệt độ cao và độ ẩm môi trường thấp.
Nhiệt ẩn có giá trị càng cao khi hình thức thải nhiệt bằng truyền nhiệt không thuận lợi
Tổng nhiệt lượng truyền nhiệt và tỏa ẩm phải đảm bảo luôn luôn bằng lượng nhiệt do cơ thể sản sinh ra
Mối quan hệ giữa hai hình thức phải luôn tuân thủ phương trình cân bằng động: qtỏa = qh + qa Giá trị của từng đại lượng trong phương trình này có thể thay đổi tùy thuộc vào các yếu tố như cường độ vận động, nhiệt độ, độ ẩm và tốc độ chuyển động của không khí xung quanh.
Nếu vì một lý do gì đó mất cân bằng thì sẽ gây rối loạn và sinh đau ốm
Nhiệt độ thích hợp nhất đối với con người nằm trong khoảng 22 - 27 o C
Bảng 1.1: Thông số vi khí hậu tiện nghi ứng với trạng thái lao động
Mùa Hè Mùa Đông t o C ϕ, % V, m/s t o C ϕ, % v, m/s Nghỉ ngơi 22 - 24 60 - 75 0,1-0,3 24 - 27 60 - 75 0,3-0,5 Lao động nhẹ 22 - 24 60 - 75 0,3-0,5 24 - 27 60 - 75 0,5-0,7 Lao động vừa 20 - 22 60 - 75 0,3-0,5 23 - 26 60 - 75 0,7-1,0 Lao động nặng 18 - 20 60 - 75 0,3-0,5 22 - 25 60 - 75 0,7-1,5
Hình 4.2: Quan hệ giữa nhiệt hiện q h và nhiệt ẩn q â theo nhiệt độ phòng
Biểu đồ vùng tiện nghi của hội lạnh, sưởi ấm, thông gió và điều hòa không khí của Mỹ thể hiện mối quan hệ giữa nhiệt độ đọng sương (ts) và nhiệt độ vận hành (tv) Trục tung biểu diễn nhiệt độ đọng sương, trong khi trục hoành thể hiện nhiệt độ vận hành Nhiệt độ bên trong đồ thị là nhiệt độ hiệu quả tương đương Công thức tính nhiệt độ vận hành (tv) được trình bày như sau: dl k bx bx v dl bx t t t α α α α.
Nhiệt độ không khí và nhiệt độ bức xạ trung bình, cùng với hệ số toả nhiệt đối lưu và bức xạ, đóng vai trò quan trọng trong việc xác định cảm giác thoải mái của con người Nhiệt độ nhiệt kế ướt và tốc độ chuyển động của không khí cũng ảnh hưởng đến quá trình thoát mồ hôi Độ ẩm tương đối có ảnh hưởng quyết định đến khả năng thoát mồ hôi vào môi trường xung quanh; quá trình này chỉ diễn ra khi độ ẩm thấp hơn 100% Độ ẩm càng thấp thì khả năng thoát mồ hôi càng cao, giúp cơ thể cảm thấy dễ chịu hơn Tuy nhiên, độ ẩm quá cao hoặc quá thấp đều không tốt cho sức khỏe con người.
Khi độ ẩm tăng cao, khả năng thoát mồ hôi của cơ thể giảm, dẫn đến cảm giác nặng nề và mệt mỏi, đồng thời dễ gây ra cảm cúm Ở nhiệt độ và tốc độ gió không đổi, độ ẩm lớn khiến mồ hôi không thể bay hơi, tạo ra lớp mồ hôi nhớp nháp trên bề mặt da.
Khi độ ẩm không khí quá thấp, mồ hôi bay hơi nhanh chóng, dẫn đến tình trạng da khô và nứt nẻ ở chân tay, môi Do đó, độ ẩm thấp không có lợi cho sức khỏe con người Mức độ ẩm lý tưởng cho cơ thể nằm trong khoảng 50 - 70%.
Hình 4.3: Giới hạn miền mồ hôi trên da c Tốc độ không khí:
Tốc độ không khí xung quanh ảnh hưởng đến cường độ trao đổi nhiệt và trao đổi chất của cơ thể con người Khi tốc độ gió lớn, cường độ trao đổi nhiệt ẩm tăng lên, khiến chúng ta cảm thấy mát mẻ hơn Do đó, khi đứng trước gió, da thường khô hơn so với khi ở nơi yên tĩnh, mặc dù điều kiện độ ẩm và nhiệt độ không thay đổi.
Khi nhiệt độ không khí thấp, tốc độ quá lớn thì cơ thể mất nhiệt gây cảm giác lạnh.
Tốc độ gió thích hợp tùy thuộc vào nhiều yếu tố: nhiệt độ gió, cường độ lao động, độ ẩm, trạng thái sức khỏe của mỗi người .vv.
Trong kỹ thuật điều hòa không khí, tốc độ gió trong vùng làm việc, cụ thể là khu vực dưới 2m từ sàn nhà, là yếu tố quan trọng được chú trọng Đây là khu vực mà bất kỳ người nào đứng trong phòng đều sẽ nằm trong phạm vi ảnh hưởng của hệ thống điều hòa.
Hình 4.4: Giới hạn vùng làm việc
Bảng1.2: Tốc độ tính toán của không khí trong phòng
Nhiệt độ không khí, o C Tốc độ ωk, m/s
1,3 ÷ Theo TCVN 5687:1992 tốc độ không khí bên trong nhà được quy định theo bảng
Bảng 1.3: Tốc độ không khí trong nhà qui định theo TCVN 5687: 1992
Loại vi khí hậu Mùa Hè Mùa Đông
Vi khí hậu tự nhiên ≥ 0,5 m/s ≤ 0,1 m/s
Vi khí hậu nhân tạo 0,3 m/s 0,05 d Nồng độ các chất độc hại:
Khi không khí chứa nồng độ cao các chất độc hại, sức khỏe con người sẽ bị ảnh hưởng nghiêm trọng Mức độ tác hại của từng chất phụ thuộc vào bản chất khí, nồng độ trong không khí, thời gian tiếp xúc và tình trạng sức khỏe của người tiếp xúc.
Các chất độc hại bao gồm các chất chủ yếu sau:
Bụi có tác động nghiêm trọng đến hệ hô hấp, với mức độ ảnh hưởng phụ thuộc vào bản chất, nồng độ và kích thước của bụi Những hạt bụi nhỏ có khả năng gây hại cao hơn do chúng tồn tại lâu trong không khí và dễ dàng thâm nhập sâu vào cơ thể, trong khi bụi lớn dễ bị khử hơn và ít ảnh hưởng đến sức khỏe con người Bụi được phân chia thành hai loại: hữu cơ và vô cơ.
Các khí này không độc hại, nhưng khi nồng độ cao sẽ làm giảm lượng O2 trong không khí, gây cảm giác mệt mỏi Nếu nồng độ vượt mức cho phép, có thể dẫn đến tình trạng ngạt thở.
* Các chất độ hại khác:
TRUYỀN NHIỆT
Dẫn nhiệt
1.1.1 Các khái niệm và định nghĩa a) Trường nhiệt độ
Nhiệt độ là một thông số trạng thái quan trọng, biểu thị mức độ nóng lạnh của vật thể Trong toán học, nhiệt độ t được mô tả như một hàm số phụ thuộc vào tọa độ x, y, z và thời gian, tức là t = f(x, y, z) Biểu thức này thể hiện trường nhiệt độ tổng quát nhất Tập hợp giá trị nhiệt độ tại các điểm khác nhau trong không gian tại một thời điểm nhất định được gọi là trường nhiệt độ.
Trường nhiệt độ được chia thành hai loại: trường nhiệt độ ổn định, trong đó nhiệt độ không thay đổi theo thời gian, và trường nhiệt độ không ổn định, nơi nhiệt độ có sự biến thiên theo thời gian.
+ Phương trình trường nhiệt độ ổn định có dạng: t = f (x,y,z) t 0
+ Phương trình trường nhiệt độ không ổn định có dạng: t = f (x,y,z, ) t 0
- Trường nhiệt độ biến thiên theo 3 tọa độ gọi là trường nhiệt độ ba chiều: t = f (x,y,z, )
- Trường nhiệt độ biến thiên theo 2 tọa độ gọi là trường nhiệt độ hai chiều: t = f (x,y, ) 0 z t
- Trường nhiệt độ biến thiên theo 1 tọa độ gọi là trường nhiệt độ một chiều: t = f (x, ) 0 z t y t
- Đơn giản nhất là trường nhiệt độ ổn định một chiều: t = f (x) 0 z t và 0 z t y t b) Gradient nhiệt độ
Mặt đẳng nhiệt là tập hợp tất cả các điểm trong vật có cùng nhiệt độ tại một thời điểm nhất định Các mặt này được xác định là quỹ tích của các điểm có nhiệt độ giống nhau, và vì một điểm trong vật không thể có hai nhiệt độ khác nhau, nên các mặt đẳng nhiệt không cắt nhau Chúng chỉ có thể cắt bề mặt của vật hoặc tạo thành các hình khép kín bên trong vật.
Nhiệt độ trong vật chỉ thay đổi theo phương cắt các mặt đẳng nhiệt, và sự biến thiên nhiệt độ theo phương pháp tuyến với bề mặt đẳng nhiệt là lớn nhất Độ tăng nhiệt độ theo phương tiếp tuyến bề mặt đẳng nhiệt được đặc trưng bởi Gradient nhiệt độ Gradient nhiệt độ là một vec tơ có phương trùng với phương pháp tuyến của bề mặt đẳng nhiệt, chiều dài của nó tương ứng với sự tăng nhiệt độ, và giá trị của nó bằng đạo hàm của nhiệt độ theo phương đó.
Với n 0 là vecto đơn vị theo phương pháp tuyến với bề mặt đẳng nhiệt, chiều dài của nó tương ứng với sự gia tăng nhiệt độ Đạo hàm của nhiệt độ theo phương pháp tuyến n được ký hiệu là n t Mật độ dòng nhiệt được xác định dựa trên những yếu tố này.
Mật độ dòng nhiệt (q - W/m²) là đại lượng biểu thị lượng nhiệt truyền qua một đơn vị diện tích bề mặt đẳng nhiệt, vuông góc với hướng truyền nhiệt, trong một khoảng thời gian nhất định.
Dòng nhiệt (Q – W) là lượng nhiệt được truyền qua toàn bộ diện tích bề mặt đẳng nhiệt trong một đơn vị thời gian Theo định luật Fourier về dẫn nhiệt, mật độ dòng nhiệt tỷ lệ thuận với gradient nhiệt độ.
Véc tơ mật độ dòng nhiệt có phương trùng với phương của grad(t), chiều dương là chiều giảm nhiệt độ (ngược chiều với grad(t)). e) Hệ số dẫn nhiệt:
Là nhiệt lượng truyền qua một đơn vị diện tích bề mặt đẳng nhiệt trong một đơn vị thời gian khi grad(t) = 1
Hệ số dẫn nhiệt λ đặc trưng cho khả năng dẫn nhiệt của vật Hệ số dẫn nhiệt phụ thuộc vào các yếu tố sau:
- Phụ thuộc vào bản chất của các chất λ rắn > λ lỏng > λ khí
- Phụ thuộc vào nhiệt độ λ = λo(1 + bt) λo - hệ số dẫn nhiệt ở 0 o C b - hệ số thực nghiệm
* Tính chất của hệ số dẫn nhiệt: λ của kim loại nguyên chất và hầu hết chất lỏng (trừ nước và Glyxerin) giảm khi t tăng
Chất cách nhiệt và chất khí có hệ số dẫn nhiệt (λ) tăng khi nhiệt độ (t) tăng, và λ của vật liệu xây dựng còn phụ thuộc vào độ xốp và độ ẩm Các vật liệu có λ ≤ 0,2 W/mK có khả năng làm chất cách nhiệt hiệu quả Để thiết lập phương trình vi phân dẫn nhiệt, cần dựa trên các giả thuyết cụ thể.
- Vật đồng chất và đẳng hướng.
- Thông số vật lý là hằng số.
- Vật xem là hoàn toàn cứng, nghĩa là sự thay đổi thê tích do nhiệt độ gây nên rất bé.
- Các phần vĩ mô của vật không có sự chuyển động tương đối với nhau.
- Nguồn nhiệt bên trong phân bố đều là qv = f (x,y,z, )
Dựa trên định luật bảo toàn năng lượng và định luật Fourier, phương trình vi phân dẫn nhiệt được thiết lập cho trường hợp khảo sát Cụ thể, định luật bảo toàn năng lượng phát biểu rằng: “Nhiệt lượng dQ được đưa vào phần tử thể tích dv trong khoảng thời gian d do dẫn nhiệt và nguồn nhiệt bên trong phát ra bằng sự biến thiên nội năng trong phần tử thể tích vật.”
Nhiệt lượng trong một phần tử thể tích được xác định bởi công thức dQ1 + dQ2 = dQ, trong đó dQ1 là nhiệt lượng được đưa vào phần tử qua dẫn nhiệt trong khoảng thời gian d, còn dQ2 là nhiệt lượng tỏa ra từ phần tử do nguồn nhiệt bên trong trong cùng khoảng thời gian Kết quả này thể hiện độ biến thiên nội năng dQ trong phần tử thể tích dv sau khoảng thời gian d Phương trình vi phân mô tả sự thay đổi này có dạng tổng quát.
Phương trình viết gọn lại như sau:
[1-21] z y x dQ x dQ x+dx dQ y dQ y+dy dQ z dQ z+dz dx dy dz q v
Hệ số khuếch tán nhiệt (a c) là một thông số vật lý quan trọng trong quá trình dẫn nhiệt không ổn định, đặc trưng cho tốc độ biến thiên nhiệt độ của vật Năng suất phát nhiệt của nguồn nhiệt bên trong được ký hiệu là qv (W/m³), trong khi nhiệt dung riêng của vật được biểu thị bằng c (kJ/kg.K).
(kg/m 3 ): khối lượng riêng của vật.
Phương trình vi phân dẫn nhiệt [1-21] mô tả mối quan hệ giữa nhiệt độ tại một điểm trong vật thể và sự biến đổi của nó theo không gian và thời gian trong quá trình dẫn nhiệt Các điều kiện đơn trị cũng cần được xem xét trong quá trình phân tích.
- Điều kiện thời gian: cho sự phân bố nhiệt độ tại thời điểm ban đầu.
- Điều kiện hình học: cho biết hình dạng, kích thước của vật đang khảo sát.
+ Loại 1: phân bố nhiệt độ trên bề mặt của vật ở thời điểm bất kỳ.
+ Loại 2: mật độ dòng nhiệt qua bề mặt vật ở thời điểm bất kỳ.
+ Loại 3: quy luật trao đổi nhiệt giữa bề mặt của vật với môi trường xung quanh.
- Điều kiện vật lý: thông số vật lý của vật đang khảo sát.
Từ phương trình vi phân dẫn nhiệt ổn định, chúng ta có thể xác định sự phân bố nhiệt độ theo tọa độ và thời gian Trong chế độ nhiệt ổn định, nhiệt độ không thay đổi theo thời gian, tức là t = 0.
Trong trường hợp đó phương trình vi phân dẫn nhiệt có dạng:
Hình 1.23:Dẫn nhiệt qua vách phẳng một lớp
Nếu vật không có nguồn nhiệt bên trong (qv=0) thì phương trình sẽ được viết lại đơn giản như sau:
Trong chương trình này, chúng ta chỉ xem xét hiện tượng dẫn nhiệt ổn định cho các vật có hình dáng hình học đơn giản, đồng thời giả định rằng nguồn nhiệt bên trong không tồn tại hoặc phân bố đều trong vật.
Dẫn nhiệt ổn định dẫn qua vách phẳng
Xét một vách phẳng đồng chất và đẳng hướng với chiều dày và hệ số dẫn nhiệt, lớp có chiều rộng lớn so với chiều dày, nhiệt độ hai bên được giữ không đổi là tw1 và tw2 Trong trường hợp này, nhiệt độ chỉ thay đổi theo phương vuông góc với bề mặt Nếu chọn trục Ox, nhiệt độ sẽ không thay đổi theo phương Oy và Oz, tức là: z = 0, t = y, t.
Khi các thông số c, = const thì phương trình vi phân dẫn nhiệt đối với vách phẳng một lớp được viết đơn giản như sau:
Trong bài toán đang xét, điều kiện biên loại 1 được xác định với các giá trị x = 0, t = tw1 và x = t = tw2 Để xác định quy luật phân bố nhiệt độ trong vách, chúng ta cần thực hiện tích phân phương trình [1-58].
Lấy tích phân lần 1 phương trình [1-58] ta được:
Tích phân lần 2 ta được:
Từ kết quả trên ta thấy khi hệ số dẫn nhiệt không đổi, nhiệt độ trong vách phân bố theo quy luật đường thẳng.
Hằng số tích phân C1, C2 được xác định theo điều kiện biên: x = 0 t = tw1 1 t w 1 t w 2
Thay vào phương trình [1-59] ta được: t x t t t w 1 w 1 w 2 Để xác định mật độ dòng nhiệt qua vách theo phương Ox, dựa vào định luật Fourie: q dt
Thay C 1 dx dt = - t w 1 t w 2 vào biểu thức định luật Furie ta được:
Nhiệt lượng truyền qua vách trong một đơn vị thời gian tỉ lệ thuận với hệ số dẫn nhiệt và độ chênh nhiệt độ giữa hai bề mặt, đồng thời tỉ lệ nghịch với chiều dày của vách.
Phương trình [1-61] có thể viết lại dưới dạng:
Phương trình [1-62] tương tự như định luật Ohm trong điện, có thể coi là nhiệt trở dẫn của vách một lớp, ký hiệu là R Nhiệt lượng truyền qua bề mặt vách F trong một khoảng thời gian xác định được tính theo công thức: qF.
Vách được tổ hợp từ một số các lớp vật liệu gọi là vách nhiều lớp.
Vách lò hơi bên trong được cấu tạo từ lớp gạch chịu lửa, bên ngoài là lớp gạch đỏ, và lớp ngoài cùng là lớp bảo ôn Đối với vách kho lạnh, chúng thường được làm từ các tấm panel ba lớp, trong đó hai lớp ngoài cùng bằng tôn và lớp giữa là polyurethan.
Trong bài viết này, chúng ta sẽ giải quyết bài toán dẫn nhiệt qua vách phẳng nhiều lớp Chúng ta sẽ xem xét các thông số của vách phẳng nhiều lớp như được minh họa trong hình dưới đây.
Các thông số đã biết: 1 , 2 , 3 , 1 , 2 , 3 , t w1 , t w4
Các thông số chưa biết: t w2 , t w3 Ở chế độ nhiệt ổn định dòng nhiệt qua các bề mặt đẳng nhiệt bất kỳ của vách bằng nhau, nghĩa là: 0 x q
Mật độ dòng nhiệt qua các vách được tính như sau:
Từ các công thức trên ta xác định được độ chênh nhiệt độ qua các lớp: q t t w w
Cộng từng vế các biểu thức trên ta được:
Tương tự ta cố thể suy ra cho nhiều lớp: n i i i i n w t q t
Nhiệt trở toàn phần tính bằng công thức: n i i i
Ta có thể tính tw2, tw3 theo công thức sau:
Dẫn nhiệt ổn định qua vách trụ
Phương trình vi phân dẫn nhiệt trong hệ tọa độ trụ cho vách trụ một lớp được viết như sau:
2 dr dt r dr t d Điều kiện biên:
Hình 1.24: Dẫn nhiệt qua vách trụ một lớp
Giải phương trình trên kết hợp với điều kiện biên, ta sẽ tìm được phương trình nhiệt độ qua vách trụ. Đặt dr u dt
Lấy đạo hàm hai vế theo biến r ta được: dr du dr t d
Thay vào phương trình (1.34) ta được:
1 0 ru dr du 0 r dr u du
Lấy tích phân hai vế phương trình trên ta được: lnu + lnr = lnC1 u.r = C1
Thay dr u dt vào phương trình trên ta được:
Lấy tích phân hai vế phương trình ta được: t = C1lnr +C2
Căn cứ vào điều điều kiện biên ta xác định được các hằng số tích phân C1,
Khi r = r1 thì t = tw1 = C1lnr1 + C2 r = r2 thì t = tw2 = C1lnr2 + C2
Giải hệ trên ta được :
Thay C1 và C2 vào phương trình (1.36) ta được :
Từ phương trình, ta nhận thấy rằng đường phân bố nhiệt độ trong vách trụ có dạng logarit Để tính mật độ dòng nhiệt qua mặt trụ F trong một đơn vị thời gian, chúng ta áp dụng định luật Fourier.
2 ( d d t t l dr l rdt dr rl dt drF
Giả thiết có một vách trụ được tổ hợp bởi ba lớp vật liệu khác nhau, có các thông số như hình bên.
Khi chế độ nhiệt ổn định, mật độ dòng nhiệt trên một đơn vị độ dài ql không thay đổi theo chiều dày của vách, nghĩa là: 0 r q l
Trong trường hợp này dòng nhiệt dẫn qua các lớp có thể tính theo công thức sau:
Trong trường hợp vách trụ có n lớp ta có công thức tính như sau:
Trao đổi nhiệt đối lưu (8h)
Các khái niệm cơ bản
2.1.1 Định nghĩa và phân loại
Trao đổi nhiệt đối lưu là quá trình diễn ra giữa bề mặt vật rắn và chất lỏng hoặc khí chuyển động, xảy ra khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa chúng.
Trao đổi nhiệt đối lưu luôn kèm theo dẫn nhiệt (nhưng không đáng kể) vì luôn có sự tiếp xúc giữa các phần tử có nhiệt độ khác nhau.
2.1.2 Công thức Newton xác định dòng nhiệt tỏa nhiệt đối lưu Để xác định lượng nhiệt trao đổi giữa bề mặt vách chất lỏng hay chất khí ta có công thức sau:: q = α(t w – tf) [W/m 2 ]
- q, Q là mật độ dòng nhiệt và dòng nhiệt
- F là diện tích bề mặt trao đổi nhiệt [m 2 ]
- tw, tf là nhiệt độ bề mặt vách và chất lỏng ở xa bề mặt vách [ o C]
- α là hệ số trao đổi (toả) nhiệt đối lưu [W/m 2 K]
* Các phương pháp xác định : α = f (λ, , Cp, ρ, , tw, tf, ω, , kích thước l…)
Trong đó: tw – nhiệt độ bề mặt, ( 0 C) tf – nhiệt độ chất lỏng, ( 0 C) ω - tốc độ chuyển động của chất lỏng, (m/s) λ - hệ số dẫn nhiệt của chất lỏng, (W/mK)
Hình 1.29: Tỏa nhiệt đối lưu giữa tấm phẳng và môi ρ – khối lượng riêng của chất lỏng, (kg/m 3 )
– độ nhớt động lực học của chất lỏng, (Ns/m 2 )
- hệ số dãn nở thể tích của chất lỏng.
Phương pháp giải tích: viết hệ phương trình vi phân và giải cùng với các điều kiện đơn trị
Phương pháp thực nghiệm: xây dựng thí nghiệm để đo một số đại lượng cần thiết để từ đó có thể xác định được α
Lý thuyết đồng dạng: để mở rộng kết quả thực nghiệm.
2.2 Các tiêu chuẩn đồng dạng của tỏa nhiệt đối lưu
Hai hiện tượng vật lý chỉ có thể đồng dạng khi chúng có cùng bản chất vật lý và được mô tả bởi một hệ phương trình vi phân tương đồng, bao gồm cả các điều kiện đơn trị.
Nếu 2 hiện tượng vật lý đồng dạng được biểu diễn bằng phương trình f (ρ, λ, à, τ, l,…), ta cú cỏc hằng số đồng dạng:
Trong chương trình này chúng ta chỉ giới hạn xét các tiêu chuẩn đồng dạng sau:
Nếu 2 hiện tượng vật lý đồng dạng thì các tiêu chuẩn đồng dạng cùng tên có giá trị bằng nhau.
Cụ thể các tiêu chuẩn trên:
Hình 1.29: Tỏa nhiệt đối lưu giữa tấm phẳng và môi trường
- Tiêu chuẩn Nuxen ( Nu ) là tiêu chuẩn biểu thị cường độ tỏa nhiệt.
Từ tiêu chuẩn Nuxen ta tính được hệ số tỏa nhiệt :
Tiêu chuẩn Reynolds (Re) là tỷ số giữa lực quán tính và lực nhớt, thể hiện sự đồng dạng của dòng chất lỏng cũng như trường tốc độ.
2.2.2 Các nhân tố ảnh hưởng tới trao đổi nhiệt đối lưu:
Những nhân tố ảnh hưởng đến chuyển động của chất lỏng hoặc chất khí đều ảnh hưởng đến quá trình trao đổi nhiệt đối lưu.
* Nguyên nhân gây ra chuyển động:
- Chuyển động tự nhiên do chênh lệch mật độ Lực nâng P = g∆ρ.
- Chuyển động cưỡng bức do tác dụng của ngoại lực (bơm, quạt…) Trong chuyển động cưỡng bức luôn kèm theo chuyển động tự nhiên.
* Chế độ chuyển động (phụ thuộc vào Re):
- Chảy tầng (Re < 2300): quỹ đạo chuyển động của các phần tử song song với nhau.
Chảy rối (Re > 2300) là hiện tượng mà quỹ đạo chuyển động của các phần tử không tuân theo quy luật nào Trong dòng chảy rối, luôn có một lớp đệm chảy tầng gần bề mặt vách rắn, được hình thành do ma sát giữa chất lỏng và bề mặt Độ dày của lớp đệm này phụ thuộc vào tốc độ chuyển động và độ nhớt của chất lỏng.
* Tính chất vật lý của chất lỏng hay chất khí: ρ, Cà, λ, a, ν, à, β Ta cú quan hệ à = ν ρ
* Hình dạng, kích thước, vị trí bề mặt trao đổi nhiệt.
2.3 Công thức thực nghiệm xác định hệ số tỏa nhiệt đối lưu
2.3.1 Trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên
Là quá trình trao đổi nhiệt thực hiện khi chất lỏng hay chất khí chuyển động tự nhiên.
Chuyển động tự nhiên trong chất lỏng và khí xảy ra do sự chênh lệch mật độ giữa các vùng có nhiệt độ khác nhau Sự khác biệt về nhiệt độ ảnh hưởng trực tiếp đến bản chất của các chất này, dẫn đến hiện tượng chuyển động tự nhiên.
* Đối lưu tự nhiên có thể xảy ra trong không gian vô hạn hoặc hữu hạn.
+ Trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên trong không gian vô hạn:
Không gian vô hạn: đủ lớn để trong đó quá trình đốt nóng hoặc làm nguội chất lỏng hay chất khí xảy ra độc lập.
Xét 2 dạng không gian vô hạn: ống hoặc tấm phẳng đặt đứng và ống hoặc tấm phẳng đặt nằm ngang.
Ta có công thức tính tiêu chuẩn Nu: Ống hoặc tấm đặt đứng:
- Chế độ chảy tầng (10 3 < (Grf Prf) < 10 9 )
- Chế độ chảy rối (Grf Prf) > 10 9 ) Ống hoặc tấm đặt ngang (10 3 < (Grf Prf) < 10 9 )
Nhiệt độ xác định: tf
- Ống, tấm đặt đứng là chiều cao
- Ống nằm ngang là đường kính ngoài
- Tấm nằm ngang là chiều rộng
- Bề mặt nóng quay lên trên α tăng 30% so với công thức
- Bề mặt nóng quay xuống dưới α giảm 30% so với công thức
* Hệ số hiệu chỉnh chiều dòng nhiệt:
* Đối lưu tự nhiên trong không gian hữa hạn:
Không gian hữu hạn: quá trình đốt nóng hoặc làm nguội chất lỏng hay chất khí có ảnh hưởng lẫn nhau.
Các dạng không gian hữu hạn:
Khe hẹp giữa hai vách song song thẳng đứng, song song nằm ngang hoặc hình xuyến:
Hình 1.26: Tính chất chảy vòng tự nhiên của chất lỏng trong không gian hẹp
Tính toán đối lưu tự nhiên trong không gian hữa hạn:
+ Xem quá trình là dẫn nhiệt:
2.3.2 Trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức
Là quá trình trao đổi nhiệt thực hiện nhờ sự chuyển động cưỡng bức của chất lỏng hay khí.
Các trường hợp trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức:
- Chảy trong ống dl td w td t w t q 1 2
* Trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức, chất lỏng chảy trong ống:
+ Chất lỏng chảy tầng trong ống:
- Chế độ chảy tầng: Re < 2300
- Đối lưu tự nhiên có ảnh hưởng lớn đến trao đổi nhiệt
- Hệ số toả nhiệt thay đổi dọc theo chiều dài ống
- Hệ số toả nhiệt trung bình sẽ ổn định từ khoảng cách l > 50d (d - đường kính trong của ống)
* Công thức thực nghiệm của M.A Mikheev:
- Hệ số hiệu chỉnh chiều dài ống l lấy theo bảng dưới đây:
Bảng 1.2: Trị số l khi chảy tầng l/d 1 2 5 10 15 20 30 40 50 l 1.9 1.7 1.44 1.28 1.18 1.13 1.05 1.02 1
- Hệ số hiệu chỉnh tính đến độ cong của ống:
- Nhiệt độ tính toán là nhiệt độ trung bình của chất lỏng
- Kích thước tính toán là đường kính trong của ống
+ Chất lỏng chảy rối trong ống:
Chế độ chảy rối, đối lưu tự nhiên hầu như không ảnh hưởng đến trao đổi
Công thức thực nghiệm của M.A Mikheev (với Re > 10 4 ): Đối với không khí:
* Trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức khi chất lỏng chảy bên ngoài ống tròn:
+ Trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức chất lỏng chảy ngang qua một ống:
Hình 1.27: Chất lỏng chảy ngang qua một ống
Khi chất lỏng tf chảy cưỡng bức với vận tốc và lệch một góc so với trục của ống có đường kính ngoài d, tại nhiệt độ tw, công thức thực nghiệm có thể được biểu diễn như sau:
Kích thước tính toán: là đường kính ngoài của ống.
Nhiệt độ tính toán: là nhiệt độ chất lỏng tf.
Hệ số ảnh hưởng của góc va đập (góc tới) của dòng εϕ (tra theo đồ thị hình dưới).
Hình 1.28: Ảnh hưởng của góc đối với tỏa nhiệt
+ Trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức, chất lỏng chảy ngang qua một chùm ống:
* Các trường hợp chùm ống:
* Đặc tính của chùm ống:
- Bước ống ngang tương đối s1/d;
- Bước ống dọc tương đối s2/d.
Hình 1.29: Cụm ống song song
* Tính toán trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức, lỏng chảy qua chùm ống:
- Với chùm ống song song:
- Với chùm ống so le:
- Kích thước xác định: là đường kính ngoài của ống.
- Nhiệt độ xác định: là nhiệt độ chất lỏng tf.
- Tốc độ xác định: là tại tiết diện hẹp nhất.
- Hệ số ảnh hưởng của góc va đập (góc tới) của dòng εϕ
- Hệ số ảnh hưởng bước ống ε s
* Hệ số ảnh hưởng bước ống:
- Với chùm ống song song:
- Với chùm ống so le:
Hình 1.30: Cụm ống so le
* Đối với dãy ống thứ 1 và thứ 2
- Với chùm ống song song:
- Với chùm ống so le:
* Hệ số toả nhiệt trung bình của chùm ống:
2.2.3 Trao đổi nhiệt đối lưu khi có biến đổi pha a) Khái niệm chung:
Trong mục 2.2.3, chúng ta đã phân tích quá trình tỏa nhiệt của chất lỏng trong môi trường một pha, nghĩa là không có sự chuyển đổi giữa các pha trong quá trình trao đổi nhiệt.
Trong kỹ thuật, quá trình trao đổi nhiệt thường đi kèm với biến đổi pha, như trong bình ngưng của tuabin ngưng hơi và thiết bị ngưng tụ trong hệ thống lạnh, nơi xảy ra chuyển từ pha hơi sang pha lỏng Ngoài ra, lò hơi trong chu trình tuabin hơi và thiết bị bay hơi trong hệ thống lạnh cũng diễn ra quá trình trao đổi nhiệt, liên quan đến việc chuyển từ pha lỏng sang pha hơi.
Trong thiết bị kỹ thuật ta thường gặp nhất là trao đổi nhiệt khi sôi và ngưng. b) Tỏa nhiệt khi sôi:
Quá trình sôi là sự chuyển đổi từ pha lỏng sang pha hơi diễn ra trong toàn bộ khối chất lỏng Để quá trình này xảy ra, chất lỏng cần được quá nhiệt đến một nhiệt độ tf lớn hơn nhiệt độ sôi ts tương ứng với áp suất sôi nhất định, và phải có sự hiện diện của tâm sôi.
+ Những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình trao đổi nhiệt khi sôi:
Độ chênh nhiệt độ Δt = tf – ts có ảnh hưởng lớn đến khả năng hình thành bọt hơi; khi tf cao, bọt hơi hình thành nhiều hơn, dẫn đến tăng cường độ khuấy động chất lỏng và cải thiện hiệu suất trao đổi nhiệt Khi Δt < 5 °C, ảnh hưởng của nó đối với hệ số trao đổi nhiệt đối lưu và cường độ trao đổi nhiệt là không đáng kể, tương tự như quá trình sôi đối lưu tự nhiên trong môi trường một pha.
5 0 C Δt ảnh hưởng mạnh đến hệ số trao đổi nhiệt đối lưu và cường độ trao đổi nhiệt, quá trình sôi lúc này gọi là sôi bọt.
Khi 22,2 °C < Δt < 110 °C, hệ số trao đổi nhiệt đối lưu giảm khi Δt tăng, dẫn đến quá trình sôi được gọi là sôi màng không ổn định Ngược lại, khi Δt > 110 °C, quá trình sôi sẽ được xác định là sôi màng ổn định.
Góc dính ướt có ảnh hưởng lớn đến hành vi sôi của chất lỏng Chất lỏng có khả năng dính ướt bề mặt thường dễ dàng tạo ra màng sôi, trong khi chất lỏng không dính ướt lại dễ hình thành bọt sôi.
- Ảnh hưởng của áp suất: áp suất bão hòa càng cao thì hệ số trao đổi nhiệt đối lưu càng lớn do bọt hơi sinh nhiều.
Sức căng bề mặt và độ nhớt của chất lỏng có ảnh hưởng đáng kể đến quá trình truyền nhiệt Cụ thể, khi sức căng bề mặt tăng, số tâm hóa hơi và cường độ tỏa nhiệt sẽ giảm xuống Đồng thời, độ nhớt càng cao thì hệ số trao đổi nhiệt sẽ giảm theo.
- Ảnh hưởng của trạng thái bề mặt đốt nóng: độ nhám bề mặt càng lớn thì tâm hóa hơi càng nhiều.
- Ảnh hưởng của tốc độ chuyển động của chất lỏng và cách bố trí bề mặt đốt nóng.
+ Tính toán tỏa nhiệt khi sôi:
Tính chất vật lý chọn theo nhiệt độ sôi Ts.
Khi sôi với khoảng áp suất p = 0,2 – 80 bar trong không gian tự do đối với nước:
46 Hoặc 3 , 45 p 0 , 5 q 0 , 7 , W / m 2 K Δt = tw – ts : tw : nhiệt độ bề mặt vách ts : nhiệt độ sôi q: mật độ dòng nhiệt c) Tỏa nhiệt khi ngưng:
Quá trình ngưng là quá trình chuyển đổi từ trạng thái hơi sang trạng thái lỏng hoặc tinh thể, liên quan đến sự biến đổi pha Để quá trình này xảy ra, nhiệt độ bề mặt của vật rắn cần phải thấp hơn nhiệt độ bão hòa của hơi ở áp suất tương ứng, và cần có tâm ngưng tụ trên bề mặt vật rắn.
+ Những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình trao đổi nhiệt khi ngưng:
- Ảnh hưởng của tốc độ và phương hướng lưu động của dòng hơi:
nhiệt và thiết bị trao đổi nhiệt (12h)
Truyền nhiệt qua vách phẳng và vách trụ
3.1.1 Truyền nhiệt qua vách phẳng
Bài toán truyền nhiệt qua vách phẳng 1 hay n lớp có nhiệt trở R, hệ số dẫn nhiệt k và mật độ dòng nhiệt được tính theo các công thức sau:
Hình 1.31: Quá trình tuyền nhiệt qua vách phẳng
3.1.2 Truyền nhiệt qua vách trụ
Hình 1.32: Quá trình tuyền nhiệt qua vách trụ
Bài toán truyền nhiệt qua vách trụ 1 hay n lớp có nhiệt trở R, hệ số dẫn nhiệt k và mật độ dòng nhiệt được tính theo các công thức sau:
Cũng tương tự như truyền nhiệt qua vách phẳng, vách trụ nhiều lớp do con người làm ra thường không có cánh.
Truyền nhiệt qua vách có cánh
* Cánh thường làm cho vách 1 lớp và cánh làm về phía có α bé hơn.
Hình 1.33: Vách có làm cánh
Bài toán truyền nhiệt qua vách có cánh có nhiệt trở R, hệ số dẫn nhiệt k và mật độ dòng nhiệt được tính theo các công thức sau:
Để giảm cường độ truyền nhiệt, người ta cách nhiệt mặt vách bằng cách bọc nó bằng nhiều lớp vật liệu có hệ số dẫn nhiệt λ nhỏ Ngược lại, để tăng cường độ truyền nhiệt, có thể làm cánh phía có hệ số phát xạ α nhỏ, như ở phía chất khí Do tính chất trái ngược của hai phương pháp này, không ai thực hiện việc làm cánh trên vách nhiều lớp.
* Tăng cường truyền nhiệt và cách nhiệt
Khi đối mặt với các vấn đề thực tế liên quan đến truyền nhiệt, cần xác định rõ mục tiêu: có thể là tăng cường hoặc giảm thiểu truyền nhiệt Để đạt được những mục tiêu này, cần áp dụng các phương thức truyền nhiệt cơ bản nhằm tìm ra những giải pháp hiệu quả nhất.
Giảm chiều dày vách và tăng hệ số dẫn nhiệt của vật liệu giúp giảm nhiệt trở của vách Tăng cường sự nhiễu loạn và tốc độ chuyển động của lưu chất có thể nâng cao độ tỏa nhiệt Trong quá trình sôi, việc tăng cường sự nhiễu loạn và làm sạch bề mặt giúp cải thiện truyền nhiệt Cuối cùng, để tăng cường trao đổi nhiệt bức xạ, cần tăng độ đen và nhiệt độ trên bề mặt bức xạ nhiệt.
Trong quá trình truyền nhiệt, việc tối ưu hóa hiệu quả truyền nhiệt khi các phương thức diễn ra đồng thời là một vấn đề phức tạp Để tìm ra giải pháp tốt nhất, cần phân tích kỹ lưỡng từng trường hợp cụ thể Việc nắm vững các công thức truyền nhiệt là rất quan trọng, vì chúng giúp dự đoán ảnh hưởng của các yếu tố và xác định biện pháp chính xác để giải quyết vấn đề.
Để giảm sự truyền nhiệt, cần tăng nhiệt trở bằng cách bọc thêm lớp cách nhiệt, sử dụng vật liệu có hệ số dẫn nhiệt thấp Lớp cách nhiệt này giúp giảm tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh Việc lựa chọn vật liệu cách nhiệt phù hợp cần xem xét từ góc độ kỹ thuật, kinh tế và vệ sinh an toàn.
Thiết bị trao đổi nhiệt
3.3.1 Khái niệm và phân loại thiết bị trao đổi nhiệt
Thiết bị trao đổi nhiệt (TBTĐN) là thiết bị chuyên dụng để thực hiện quá trình trao đổi nhiệt giữa các chất mang nhiệt, thường là chất lỏng, khí hoặc hơi.
Theo đặc điểm trao đổi nhiệt, TBTĐN được chia ra 3 loại: loại vách ngăn, loại hồi nhiệt và loại hỗn hợp.
Trong thiết bị trao đổi nhiệt loại vách ngăn, chất lỏng nóng (CL1) và chất lỏng lạnh (CL2) được ngăn cách hoàn toàn bởi bề mặt vách hoặc ống bằng vật rắn, đảm bảo hiệu suất trao đổi nhiệt tối ưu.
Trong thiết bị trao đổi nhiệt hồi nhiệt, vách TĐN được thiết kế để quay, cho phép tiếp xúc tuần hoàn với CL1 và CL2 Quá trình này giữ cho TĐN ở trạng thái không ổn định, dẫn đến sự dao động nhiệt độ trong vách theo chu kỳ quay.
Trong thiết bị trao đổi nhiệt hỗn hợp, chất lỏng nóng và chất lỏng lạnh tương tác trực tiếp, tạo điều kiện cho quá trình trao đổi nhiệt diễn ra đồng thời với sự trao đổi chất giữa hai chất này.
Cách ly hoàn toàn chất cần gia công với chất tải nhiệt là yêu cầu phổ biến trong nhiều quy trình công nghệ, vì vậy, TBTĐN loại vách ngăn được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất.
Theo chiều chuyển động của hai chất lỏng, TBTĐN loại vách ngăn được chia ra 2 kiểu chính: kiểu song song và kiểu giao nhau
Trong thiết bị trao đổi nhiệt kiểu song song, véc tơ vận tốc của hai chất lỏng có thể di chuyển song song cùng chiều, ngược chiều hoặc thay đổi chiều, được gọi là song song hỗn hợp.
- Trong TBTĐN kiểu giao nhau, 2 véc tơ v 1 //v 2 giao nhau theo 1 góc nào đó, có thể giao 1 lần hay nhiều lần
3.3.2 Các phương trình cơ bản để tính nhiệt thiết bị trao đổi nhiệt
* Các phương trình cơ bản:
Tính nhiệt cho thiết bị trao đổi nhiệt (TBTĐN) là quá trình xác định các thông số cần thiết để thiết bị thực hiện hiệu quả quá trình trao đổi nhiệt giữa hai chất lỏng theo yêu cầu công nghệ Trong đó, chất lỏng nóng được ký hiệu bằng chỉ số 1 và chất lỏng lạnh bằng chỉ số 2, cùng với dấu (‘) và (“) để biểu thị các thông số vào và ra khỏi thiết bị.
Việc tính nhiệt cho TBTĐN luôn dựa vào 2 phương trình cơ bản sau đây:
Phương trình cân bằng nhiệt:
W = GCp là nhiệt dung toàn phần [W/K]
Phương trình truyền nhiệt: t kF
F – diện tích truyền nhiệt, m 2 k – độ chênh nhiệt độ trung bình, k = f(α1, α2, λ, δ) (W/m 2 K) Δt gọi là độ chênh trung bình trên mặt F của nhiệt độ 2 chất lỏng.
- Xác định độ chênh trung bình Δt:
Hình 1.34: Sơ đồ song song
- Nhiệt độ trung bình lôgarit
K t t t t t min max min max ln
- Nhiệt độ trung bình số học t K t t t K t t t t
Biểu thức Δt cho các sơ đồ khác như song song đổi chiều và giao nhau (1 hay nhiều lần) được xác định dựa trên sơ đồ song song ngược chiều, sau đó nhân với hệ số kinh nghiệm.
- Tính nhiệt độ của các chất ra khỏi TBTĐN:
Khi tính kiểm tra hoặc tính chọn 1 TBTĐN có sẵn, thường cho biết t1’, t2’,k,
Để xác định xem nhiệt độ t1 và t2 có phù hợp với công nghệ hay không, cần tính toán nhiệt độ ra khỏi TBTĐN Phép tính này có thể được thực hiện cho các sơ đồ song song không đổi chiều.
Biết t’1, t’2, W1, W2, tính t”1, t”2 với nhiệt độ trung bình số học
Từ đó ta suy ra được t1”, t2”.
Câu 1: Trình bày các thông số cơ bản của chất môi giới.
Câu 2 : Trình bày các quá trình nhiệt động cơ bản của hơi trên đồ thị lgp – h.
Câu 3 : Thế nào là quá trình lưu động và tiết lưu ? Giải thích ?
Câu 4 : Chu trình nhiệt động là gì ? Phân loại chu trình nhiệt động ? Trình bày cách đánh giá hiệu quả của chu trình nhiệt động.
Câu 5 : Trình bày chu trình nhiệt động của máy lạnh và bơm nhiệt.
Câu 6 : Trình bày chu trình máy lạnh hấp thụ.
Câu 7 : Hơi nước bão hòa ẩm ở áp suất p = 2bar, độ khô x = 0,3 Xác định các thông số còn lại.
Câu 8 : Hơi nước ở nhiệt độ 150 0 C, áp suất 1bar Hỏi hơi nước đang ở trạng thái nào ? Xác định các thông số còn lại.
Hơi nước ở áp suất 30 bar và enthalpy 1500 kJ/kg được gia nhiệt đến nhiệt độ 400°C trong điều kiện áp suất không đổi, với khối lượng hơi nước khảo sát là 250 kg Cần xác định trạng thái hơi nước ở đầu và cuối quá trình khảo sát, cũng như lượng nhiệt cần cung cấp cho quá trình này.
Các phương thức truyền nhiệt bao gồm dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ Dẫn nhiệt là quá trình truyền nhiệt qua vật liệu mà không có sự di chuyển của chính vật liệu đó Trường nhiệt độ là sự phân bố nhiệt độ trong một không gian nhất định Mặt đẳng nhiệt là những đường hoặc bề mặt nối các điểm có cùng nhiệt độ Các tính chất của mặt đẳng nhiệt bao gồm tính liên tục, không cắt nhau và thể hiện sự phân bố nhiệt độ trong hệ thống.
Câu 11: Gradient nhiệt độ là gì? Mật độ dòng nhiệt q là gì? Phát biểu định luật
Fourier về dẫn nhiệt? Viết công thức của định luật.
Để thiết lập công thức tính mật độ dòng nhiệt q cho dẫn nhiệt ổn định qua vách phẳng một lớp rộng và dài vô hạn trong điều kiện biên loại 1 với qv = 0, ta cần áp dụng định luật Fourier về dẫn nhiệt Trong trường hợp này, mật độ dòng nhiệt q có thể được xác định bằng cách tính toán sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai mặt của vách và độ dày của vách Công thức tính toán sẽ cho phép chúng ta hiểu rõ hơn về quá trình dẫn nhiệt trong các vật liệu và ứng dụng trong thực tế.
Để thiết lập công thức tính mật độ dòng nhiệt q cho dẫn nhiệt ổn định qua vách phẳng n lớp rộng và dài vô hạn trong điều kiện biên loại 1 với qv = 0, ta cần áp dụng các nguyên lý cơ bản của dẫn nhiệt Trong trường hợp này, với điều kiện biên loại 1, dòng nhiệt sẽ phụ thuộc vào sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai bề mặt của vách và hệ số dẫn nhiệt của vật liệu Công thức tính mật độ dòng nhiệt q có thể được xác định bằng cách sử dụng định luật Fourier, trong đó q = -k * (dT/dx), với k là hệ số dẫn nhiệt và dT/dx là độ dốc nhiệt độ theo hướng dẫn nhiệt.
Để xác định chiều dày của vách phẳng, ta sử dụng công thức tính mật độ dòng nhiệt q = (t1 - t2) / (d / λ), trong đó q = 8000 W/m², t1 = 100°C, t2 = 90°C và hệ số dẫn nhiệt λ = 40 W/(m·°C) Thay các giá trị vào công thức và giải phương trình, ta sẽ tìm được chiều dày d của vách.
Vách buồng sấy được cấu tạo từ hai lớp vật liệu, với lớp trong có độ dày 250mm và hệ số dẫn nhiệt 0,93W/(m.độ), trong khi lớp ngoài có hệ số dẫn nhiệt 0,7W/(m.độ) Nhiệt độ bề mặt trong cùng đạt 110oC, trong khi nhiệt độ bề mặt ngoài cùng chỉ 25oC, với mật độ dòng nhiệt là 110W/m2 Cần xác định chiều dày của lớp vật liệu thứ hai (mm).